(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911307456.1
(22)申请日 2019.12.18
地址 315000 浙江省宁波市江北区慈城镇
庆丰路777弄1号207
(72)发明人 徐翔宙
(74)专利代理机构 宁波奥圣专利代理事务所
(普通合伙) 33226
代理人 方小惠
(51)Int.Cl.
A63B 21/06(2006.01)
A63B 24/00(2006.01)
(54)发明名称一种智能健身器材的伺服负载控制方法(57)摘要本发明公开了一种智能健身器材的伺服负载控制方法，通过从伺服驱动控制器第3个采样周期开始判定当前运动状态为向心运动还是离心运动，然后在后续采样周期中，判定当前运动状态与前一运动状态是否一致，如果一致，则对下一采样周期伺 服电机的输出扭矩不做调整，如果不一致，计算得到运动方向切换等待时间和输出扭矩变化增减值，在当前采样周期结束后在运动方向切换等待时间内维持伺服电机输出状态不变，然后进入下一采样周期，并采用当前采样周期伺服电机的实际输出扭矩加上输出扭矩变化增减值作为下一采样周期伺服电机的实际输出扭矩；优点是既能进行向心负载与离心负载相等的专项训练，也能进行向心负载与离心负载不 相等时的专项训练。权利要求书2页 说明书5页CN 111035886 A 2020.04.21
C N 111035886
A
1.一种智能健身器材的伺服负载控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、在所述的智能健身器材的工控机中设置向心目标负载力F S1和离心目标负载力F S2，在所述的智能健身器材的伺服驱动控制器中设定采样周期，采样频率为300Hz，在工控机中设定临界低速值V l，V l的取值大于等于0.01m/s且小于等于0.05m/s；
步骤2、开启所述的智能健身器材中的伺服电机，所述的伺服电机在所述的智能健身器材的伺服驱动控制器驱动下输出与向心目标负载力F S1相匹配的输出力矩，所述的伺服驱动控制器开始进行周期性的采样，获取所述的伺服电机的实时转速、实时角加速度和实时输出扭矩并发送给所述的工控机，与此同时，
所述的工控机开始进行周期性的负载控制，所述的伺服电机内部设置的绝对值编码器实时记录所述的伺服电机的输出轴的转动角度，所述的伺服驱动控制器周期性的获取所述的伺服电机的输出轴的转动角度；
步骤3、将所述的伺服驱动控制器当前采样周期数记为N，即所述的伺服驱动控制器当前进入第N个采样周期，此时所述的工控机同步进入第N个控制周期，当所述的伺服驱动控制器开始采样时，N的取值为1，后续每进入一个采样周期，N的取值加1；
步骤4、将当前控制周期下，所述的智能健身器材中传动机构的拉绳输出端的实时线速度记为V N、拉绳输出端的实时线加速度记为A N、拉绳输出端的实时负载力值记为F N，所述的智能健身器材的工控机内通过公式(1)、(2)和(3)分别计算得到V N、A N和F N，并通过显示装置将V N、A N和F N进行显示：
V N＝ωN r (1)
A N＝εN r (2)
F N＝F N/r (3)
式(1)～(3)中，r为伺服电机的输出轴的传动半径，ωN为当前控制周期伺服电机的实时转速，εN为当前控制周期伺服电机实时角加速度，T N为当前控制周期伺服电机的实时输出扭矩；
步骤5、判断N的取值是否小于3，如果小于3，则所述的工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果大于等于3，则进入步骤6；
步骤6、在所述的工控机中判断A N，A N-1，A N-2中的最小值是否大于等于0，以及V N是否大于等于临界低速值V l，如果A N，A N-1，A N-2中的最小值大于等于0，并且V N大于等于临界低速值V l，则预测智能健身器材在当前控制周期的运动状态为向心运动，否则为离心运动；
步骤7、判断N的取值是否等于3，如果等于3，则所述的工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果大于3，则进入步骤8。
步骤8、判定智能健身器材当前控制周期的运动状态与前一控制周期的运动状态是否相同，如果相同，则所述的工控机不作处理，直接等待下一个控制周期的到来，如果不同，则进入步骤9；
步骤9、将当前控制周期的运动方向切换等待时间记为t N，采用公式(4)计算得到t N：t N＝ηV N fabs(e N(f)) (4)
其中，η为时间偏差修正系数，取值范围为0.5～50，e N(f)为目标负载与实际输出负载相对偏差，e N(f)＝μ(F S-F N)/F S，μ为负载偏差修正系数，μ的取值大于等于1且小于等于1.8，F S 为当前运动方向目标负载力值，如果当前控制周期为向心运动，则F S＝F S1，如果当前控制周期为离心运动，则F S＝F S2，fabs(*)表示对*取绝对值；
步骤10、将当前控制周期下伺服电机的输出扭矩变化增减值记为ζN，采用公式(5)计算得到ζN：
其中，e为自然常数，θN为扭矩变化增减修正系数，θN的取值根据式(6)确定：
式(6)中，θ0为低速固定系数，θ0的取值大于等于5且小于等于20，θmax为扭矩变化增减修正系数阈值，θmax的取值大于等于200且小于等于300；
步骤11、将下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩记为T SN+1，采用公式(7)计算得到下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩：
T SN+1＝ζN+T SN (7)
其中T SN为当前控制周期，伺服电机的实际输出扭矩；
步骤12、当前控制周期结束后，所述的工控机控制所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机保持当前输出状态t N后进入下一个采样周期，在下一个采样周期，所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机的输出力矩为T SN+1。
一种智能健身器材的伺服负载控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种伺服负载控制方法，尤其是涉及一种智能健身器材的伺服负载控制方法。
背景技术
[0002]随着社会不断进步，人们生活水平得到了大幅度提升，人们对运动健身也越来越重视。纯机械力量训练设备为当前使用比较广泛的传统的健身器材，该种健身器材主要包括传动机构和配重块组，配重块组作为健身器材的负载，配重块组包括多个配重块，在使用时，健身者通过传动机构的拉绳拉动配重块组中选定的配重块实现训练。但是，上述传统的健身器材在使用时，需要手动插拔配重块组中设置的销轴或掰转按钮实现配重块的选择，进行负载力量调整，操作不方便，且在切换配重块运动方向(向心运动切换至离心运动或者离心运动切换至向心运动)时，由于配重块自身惯性较大，配重块很容易产生振动，速度过快的话很容易对人体产生伤害，由此传统的健身器材不利于快速训练。
[0003]传统的健身器材已满足不了日新月异的当今时代，智能健身器材应运而生。现有的智能健身器材伺服电机、伺服驱动控制器、工控机、显示装置以及传动机构，工控机分别与伺服驱动控制器和显示装置连接，伺服驱动控制器与伺服电机连接，伺服电机和传动机构连接，伺服电机作为负载，称为伺服负载，在使用时，健身者通过工控机设定伺服电机的输出扭矩，工控机控制伺服驱动控制器驱动伺服电机输出对应的输出扭矩，由此实现负载力量输出，健身者通过传动机构中的拉绳拉动伺服电机实现力量训练。当需要调整负载力量时，直接在工控机上更改伺服电机的输出扭矩参数即可。现有的智能健身器材相对于传统的健身器材，操作更加方便，在切换伺服负载运动方向时也不会产生振动，能够实现快速训练。但是当伺服电机的输出扭矩在工控机中设定后，伺服负载保持恒定的输出，也就是说在训练过程中智能健身器材的向心负载(向心运动时的负载)和离心负载(离心运动的负载)保持相等，而当前不但需要进行向心负载与离心负载相等的专项训练，还需要进行向心负载与离心负载不相等时的专项训练，由此现有的智能健身器材不能满足需求，健身者需要额外采用其他方式去进行这方面的训练。
发明内容
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种智能健身器材的伺服负载控制方法，该方法可以使智能健身器材既能进行向心负载与离心负载相等的专项训练，也能进行向心负载与离心负载不相等时的专项训练。
[0005]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种智能健身器材的伺服负载控制方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、在所述的智能健身器材的工控机中设置向心目标负载力F S1和离心目标负载力F S2，在所述的智能健身器材的伺服驱动控制器中设定采样周期，采样频率为300Hz，在工控机中设定临界低速值V l，V l的取值大于等于0.01m/s且小于等于0.05m/s；
[0007]步骤2、开启所述的智能健身器材中的伺服电机，所述的伺服电机在所述的智能健身器材的伺服驱动控制器驱动下输出与向心目标负载力F S1相匹配的输出力矩，所述的伺服驱动控制器开始进行周期性的采样，获取所述的伺服电机的实时转速、实时角加速度和实时输出扭矩并发送给所述的工控机，与此同时，所述的工控机开始进行周期性的负载控制，所述的伺服电机内部设置的绝对值编码器实时记录所述的伺服电机的输出轴的转动角度，所述的伺服驱动控制器周期性的获取所述的伺服电机的输出轴的转动角度；
[0008]步骤3、将所述的伺服驱动控制器当前采样周期数记为N，即所述的伺服驱动控制器当前进入第N个采样周期，此时所述的工控机同步进入第N个控制周期，当所述的伺服驱动控制器开始采样时，N的取值为1，后续每进入一个采样周期，N的取值加1；
[0009]步骤4、将当前控制周期下，所述的智能健身器材中传动机构的拉绳输出端的实时线速度记为V N
、拉绳输出端的实时线加速度记为A N、拉绳输出端的实时负载力值记为F N，所述的智能健身器材的工控机内通过公式(1)、(2)和(3)分别计算得到V N、A N和F N，并通过显示装置将V N、A N和F N进行显示：
[0010]V N＝ωN r (1)
[0011]A N＝εN r (2)
[0012]F N＝T N/r (3)
[0013]式(1)～(3)中，r为伺服电机的输出轴的传动半径，ωN为当前控制周期伺服电机的实时转速，εN为当前控制周期伺服电机实时角加速度，T N为当前控制周期伺服电机的实时输出扭矩；
[0014]步骤5、判断N的取值是否小于3，如果小于3，则所述的工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果大于等于3，则进入步骤6；
[0015]步骤6、在所述的工控机中判断A N,A N-1,A N-2中的最小值是否大于等于0，以及A N是否大于等于临界低速值V l，如果A N,A N-1,A N-2中的最小值大于等于0，并且V N大于等于临界低速值V l，则预测智能健身器材在当前控制周期的运动状态为向心运动，否则为离心运动；[0016]步骤7、判断N的取值是否等于3，如果等于3，则所述的工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的
到来，如果大于3，则进入步骤8。
[0017]步骤8、判定智能健身器材当前控制周期的运动状态与前一控制周期的运动状态是否相同，如果相同，则所述的工控机不作处理，直接等待下一个控制周期的到来，如果不同，则进入步骤9；
[0018]步骤9、将当前控制周期的运动方向切换等待时间记为t N，采用公式(4)计算得到t N：
[0019]t N＝ηV N fabs(e N(f)) (4)
[0020]其中，η为时间偏差修正系数，取值范围为0.5～50，e N(f)为目标负载与实际输出负载相对偏差，e N(f)＝μ(F S-F N)/F S，μ为负载偏差修正系数，μ的取值大于等于1且小于等于1.8，F S为当前运动方向目标负载力值，如果当前控制周期为向心运动，则F S＝F S1，如果当前控制周期为离心运动，则F S＝F S2，fabs(*)表示对*取绝对值；
[0021]步骤10、将当前控制周期下伺服电机的输出扭矩变化增减值记为ζN，采用公式(5)计算得到ζN：
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